Материал: Разработка и тестирование программно-аппаратного модуля сбора данных в беспроводных сенсорах сетях

Разработка и тестирование программно-аппаратного модуля сбора данных в беспроводных сенсорах сетях

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор и анализ существующих технологий

.1      Расположение сервера

.1.1 Локальный выделенный сервер

.1.2   Облачный сервер       

.2      Сетевые технологии

.2.1   Проводные сети

.2.2   Беспроводные сети

Глава 2. Выбор методов сбора данных для разработки программно-аппаратного модуля

.1      Обзор облачных платформ

.2      Выбор платформы

.3      Требования к программно-аппаратному модулю

Глава 3. Теоретическая часть

3.1    Алгоритм взаимодействие модуля с облачной платформой

.2      Разработка устройства        

.2.1   Разработка схемы электрической структурной       

.2.2   Выбор Wi-Fi модуля

Глава 4. Экспериментальная часть

.1      Изготовление макета устройства

.2      Создание основы приложения

.3      Внесение собираемых данных в базу

.4      SMS/e-mail уведомления

.5      Построение графиков собранных данных      

.6      Тестирование

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Введение

На протяжении всей своей жизни человек использует информацию, которую получает из внешнего мира по различным источникам: книги, телевидение, интернет и др. Полученную информацию можно анализировать, хранить и представлять в визуальном виде для упрощения того же анализа. Однако, технический прогресс не стоит на месте и уже сегодня информацию может собирать не только человек, но и технические устройства при помощи соответствующих автоматизированных систем.

Устройства могут иметь доступ в интернет. Такие вещи на сегодняшний день имеют название «интернет-вещи». Несколько интернет-вещей могут образовывать сеть, в которой они обмениваются информацией, а также могут публиковать свою информацию в глобальную сеть интернет. Беспроводная сеть, которая состоит из самостоятельных устройств на распределенной территории, на которых установлены различные необходимые датчики называется беспроводной сенсорной сетью.

Множество исследований и разработок было проведено в беспроводных сенсорных сетях. Были разработаны необходимые протоколы, а также специальные операционные системы.

Беспроводные сенсорные сети могут разворачиваться для контроля за объектами в период их использования. На устройства устанавливают специальные датчики, системы сбора данных, которые помогают в анализе собранных данных и дальнейшем принятии решений [1]. Сбор данных необходим во всех сферах жизнедеятельности включая медицину, услуги ЖКХ, промышленность и др. Есть потребность в разработке универсального устройства, которое можно было бы подключить к любому предмету, и которое потребляло бы мало энергии.

В данном дипломном проекте разрабатывается программно-аппаратный модуль, предназначающийся для сбора и анализа собранных данных в беспроводной сенсорной сети. Имеющиеся устройства с такими установленными модулями смогут обмениваться между собой информацией, образуя беспроводную сенсорную сеть. Для облегчения сбора, анализа и визуализации данных будут использоваться облачные платформы, которые предоставляют необходимый функционал для реализации поставленных задач.

Потребность в универсальном устройстве для сбора и анализа данных подтверждает актуальность данного исследования. Однако, не только потребность в устройстве подтверждает актуальность исследуемой темы, но и то, что визуализация собранных данных является важной частью для улучшения качества обслуживания различных сервисов, ведь визуализировав собранные данные облегчается процесс анализа для человека, если собранные данные будет анализировать именно человек.

Объектом исследования являются аппаратные и облачные платформы, беспроводные сенсорные сети.

Предметом исследования является сбор и визуализация данных в беспроводных сенсорных сетях.

Основными целями выпускной квалификационной работы являются разработка и тестирование программно-аппаратного модуля сбора данных в беспроводных сенсорах сетях.

Для достижения поставленных целей необходимо решить ряд следующих задач:

обзор и анализ существующих технических решений;

исследование способов решения и определение наилучшего способа для разработки программно-аппаратного модуля сбора данных;

разработка программно-аппаратного модуля сбора данных;

тестирование программно-аппаратного модуля сбора данных.

Новизна данного исследования заключается в разработке универсального программно-аппаратного модуля, который имеет маленький размер для установки на объект любого размера для сбора и передачи собранных данных на сервер в беспроводной сенсорной сети, где данные могут быть проанализированы, визуализированы и сохранены в базе данных.

Практическая значимость

В настоящее время сбор и анализ больших данных является неотъемлемой частью работы многих организаций. В данной дипломной работе предлагается способ, который упростит сбор и анализ данных и улучшит качество обслуживания сервисов посредством визуализации собранных данных в беспроводной сенсорной сети.

Глава 1. Обзор и анализ существующих технологий

Сбор и анализ данных в необходим многим организациям для более точного принятия решений. Это могут быть медицинские данные пациентов, информация о товарах на складах и т.д. Однако, не существует ещё такого устройства, которое можно было бы применить абсолютно в любой сфере, будь то медицина или промышленность. Было бы очень удобно иметь универсальное решение по сбору данных.

Процесс сбора и анализа данных представляет собой непосредственно сбор данных с объекта, передачу собранных данных на сервер и анализ данных на соответствующем сервере. Для того чтобы непосредственно собирать данные и отправлять на сервер необходимо сначала выбрать метод передачи данных и расположение сервера. В данной главе будут рассмотрены методы передачи данных на сервер, а также будут рассмотрены виды расположения серверов. По итогам обзора будет проведен анализ и сделан вывод - какая технология передачи данных и вид сервера будет выбран для разработки универсального модуля в данной дипломной работе.

Расположение сервера

Выбор расположения сервера для разработки универсального программно-аппаратного модуля сбора данных в беспроводной сенсорной сети является необходимой частью. На данный момент существует два основных вида расположения серверов. В данном разделе будут описаны виды серверов как локальный выделенный сервер и облачный сервер.

Локальный выделенный сервер

Такая схема прекрасно подходит под небольшие(локальные) беспроводные сенсорные сети, однако на практике очень часто беспроводная сенсорная сеть является очень широкой географически (даже достигает масштаба нескольких городов), и, хотя беспроводные сенсорные сети предлагают ретрансляцию для покрытия больших территорий (обмен данными от узла к узлу до шлюза) - это решение подходит для равномерной и плотной сети.

На рисунке 1 изображен способ сбора данных на локальный сервер.

Рис. 1. Локализованный сбор данных

Облачный сервер

Другим способом сбора данных является передача данных на облачный сервер, который находится в облаке. Облачный сервер - это виртуальный сервер, который отличается от физического сервера тем, что для подключения к нему необходим выход в интернет. У данного сервера есть ряд преимуществ:

с документами и приложениями могут работать одновременно несколько клиентов;

снижение затрат на дорогостоящее оборудование;

динамическое расширений функционала при необходимости;

динамическая область выделенной памяти.

В качестве облачного сервера могут выступать облачные платформы с различным функционалом, например, электронная почта, базы данных, хостинги, сервисы для IoT. Существует несколько видов сервисов на облачных серверах:(инфраструктура как услуга) - в данном случае предоставляются вычислительные мощности с какими-то заданными конфигурациями, например, такой инфраструктурой может быть хостинг;(платформа как услуга) - в данном случает предоставляется платформа, которая дает возможность разработки и развертывания приложений, например IBM Bluemix;(программное обеспечение как услуга) - в данном случае в пользование предоставляется программное обеспечение, например это может быть Microsoft Office 365.

На рисунке 2 изображен способ сбора данных при помощи облачного сервера.

Рис. 2. Сбор данных на облако

Для реализации подобного решения необходимо реализовать программно-аппаратный модуль сбора данных в беспроводных сенсорных сетях. Данная задача разбивается на две, на реализацию аппаратной программной и аппаратной части, в текущую работу входит тестирование совместной работы программной и аппаратной частей в качестве программно-аппаратного модуля сбора данных в беспроводной сенсорной сети.

Сетевые технологии

Компьютерные сети состоят из набора вычислительных машин, объединенных между собой в структуру. Однако, соединяться между собой вычислительные машины могу при помощи разных технологий и разными способами. Существуют два основных способа соединений компьютеров в сети, это проводное соединение и беспроводное соединение. В данном разделе будут описаны приведенные способы соединений компьютеров в сети, а также будут рассмотрены технологии, которые используются при каждом из методов соединения.

Проводные сети

Сети, в которых используются проводной способ соединения машин называются проводными сетям. В данном случае компьютеры соединяются между собой физическими проводами - кабелями и используют различные топологии.

Коаксиальный кабель [2] - это кабель, состоящий из несимметричных пар проводников. Существует несколько разновидностей коаксиального кабеля, которые имеют свои характеристики и назначение, а именно коаксиальный кабель для локальных сетей, глобальных сетей и для телевидения. Данный кабель считается устаревшим, так как он был очень ненадежным и мог повредиться, если на него случайно чем-либо надавить. На рисунке 3 ниже показана структура коаксиального кабеля.

Рис. 3. Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель в основном использовался при использовании топологии «шина». На сегодняшний день используют витую пару и оптоволоконные кабели.

Витая пара [2] - это скрученная пара проводов. Провода скручиваются для того чтобы уменьшить влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, которые передаются по кабелю. Существует экранированная и неэкранированная витая пара.

На рисунке 4 показана структура витой пары.

Рис. 4. Витая пара. Слева неэкранированная, справа экранированная.

Оптоволоконный кабель [2] - это кабель, состоящий из гибких стеклянных волокон, по которым распространяются световые сигналы. Считается, что данный тип кабеля наиболее качественный и обеспечивает очень высокую передачу данных, а также лучше, чем остальные кабели обеспечивает защиту от помех.

На рисунке 5 показана структура оптоволоконного кабеля.

Рис. 5. Оптоволоконный кабель

Технология Ethernet.- проводная технология построения проводных соединений, вытеснившая технологии Token ring и FDDI. Технология Ethernet определяет канальный уровень сетевой модели OSI/ISO и определяется стандартами 802.3. Однако у технологии Ethernet есть свои преимущества и недостатки.

Преимущества:

низкая стоимость построения сети;

развивающаяся технология;

распространенное решение;

широкий спектр поддерживающих устройств.

Недостатки:

наличие помех, коллизий;

непредсказуемые задержки при загруженности сети.

Беспроводные сети

Технология Bluetooth [3]

Одним из простейших способов беспроводной связи между двух устройств является использование технологии Bluetooth. Из дополнительного оборудования для реализации связи по технологии Bluetooth требуется только Bluetooth-адаптер, причем для многих устройств наличие Bluetooth-адаптера является стандартом. Технология Bluetooth определяется стандартом 802.15.1.

Преимущества:

универсальность;

простота;

развитие Bluetooth c низким энергопотреблением;

низкая стоимость;

отсутствие проводов.

Недостатки:

низкий уровень безопасности;

возможные проблемы совместимости.

Технология Wi-Fi [3]беспроводная технология передачи данных и обеспечения связи с использованием радиоканалов. Устройство, именуемое точкой доступа, создает зону доступа Wi-Fi, находясь в которой устройства, поддерживающие Wi-Fi технологию могут обмениваться данными через данную точку доступа. Технология Wi-Fi определяется стандартами 802.11.

Преимущества:

отсутствие проводов;

высокая пропускная способность передачи данных;

низкая стоимость.

Недостатки:

большое число помех на частоте 2,4 ГГц;

уменьшение зоны покрытия из-за особенностей помещения;

средний уровень энергопотребления.

Технология ZigBee [3]- прямой конкурент энергоэффективного Bluetooth. Технология ZigBee определяется стандартом 802.15.4. В технологии используется построение ячеистой(Mesh) структуры.

Преимущества:

низкое энергопотребление;

возможность работы в диапазонах ниже 1 ГГц.

Недостатки:

сложная структура сети(Mesh);

низкая пропускная способность передачи данных.

Технология 4G LTE [4]- четвертое поколение (4g) мобильной связи, отличительной чертой которого является высокая пропускная способность передачи данных.

Преимущества:

высокая пропускная способность.

Недостатки:

относительно низкое развитие инфраструктуры;

высокий уровень потребления энергии.

Сравнение беспроводных технологий

Программно-аппаратный модуль сбора данных будет разработан в беспроводной сенсорной сети, поэтому необходимо выбрать беспроводную технологию, на которой будет основана данная разработка. Критерии для сравнения технологий будут следующими:

частотный диапазон;

пропускная способность;

дальность;

потребляемая мощность;

рабочий диапазон температур;

распространенность;

стоимость реализации.

В таблице 1 показано сравнение беспроводных технологий по перечисленным выше критериям.

Таблица 1.

Сравнение беспроводных технологий